Outils conceptuels pour une approche quantique du problème corps-esprit.

Dr. Pierre UZAN – Chercheur associé au laboratoire SPHERE Histoire et Philosophie des Sciences Université Paris-Diderot

Comme l’ont montré plusieurs auteurs, tels que Atmanspacher, Filk et Römer (2009),  Wallach et von Sillfried (2010) ou Aerts et al. (2011 a et b), certains phénomènes qui ne relèvent pas de la physique quantique nécessitent cependant d’être modélisés dans le cadre d’une théorie quantique généralisée implémentant les concepts de complémentarité et d’intrication mais où toute référence a priori au monde matériel a été éliminée. Les concepts de complémentarité et d’intrication -qui sont, en fait, étroitement liés- peuvent ainsi être utilisés pour modéliser divers phénomènes qui ne peuvent l’être dans un cadre « classique » qui utilise le calcul des probabilités classique (de Kolmogorov) et dans lequel l’existence de corrélations entre deux évènements ne peut être expliqué que par un échange direct d’information ou par l’existence d’une cause commune. En particulier, comme nous l’avons expliqué dans l’article intitulé « Une approche quantique du problème corps-esprit » publié récemment dans Implications Philosophiques (Uzan 2012), la nature des corrélations psychophysiques que nous observons quotidiennement et qui sont étudiées de façon précise par la neurobiologie et la psycho-immuno-neuro-endocrinologie pourraient être interprétées en terme de relation d’intrication. L’objet de ce complément à l’article cité ci-dessus, qui m’a été demandé par l’éditeur de cette revue, est d’expliciter les notions essentielles sur lesquelles repose l’approche quantique du problème corps-esprit que j’ai proposée et de l’illustrer par quelques exemples.

Source : Stock.Xchng

I. Complémentarité et intrication en physique quantique.  

On peut dire que deux descriptions sont complémentaires si elles sont  incompatibles mais sont néanmoins toutes les deux requises pour caractériser le phénomène étudié, comme c’est le cas des descriptions corpusculaire et ondulatoire de la lumière en physique. Mais la notion de complémentarité s’applique de façon plus spécifique aux grandeurs physiques. La complémentarité des grandeurs physiques est définie par la non-commutativité des « observables » qui les représentent mathématiquement. Ce qui signifie que l’ordre dans lequel ces grandeurs sont mesurées n’est pas indifférent, comme c’est le cas pour l’observable position et l’observable impulsion selon la même direction spatiale ou pour les observables de spin selon deux directions différentes, leur non-commutativité pouvant être mise en évidence à l’aide d’appareils de Stern et Gerlach (Cohen Tanoudji et al. 1997, chap. IV) : si on mesure le spin d’une particule selon la direction x puis selon une direction différente y, une troisième mesure du spin selon x donnera en général un résultat différent du résultat obtenu lors de la première mesure. La notion de complémentarité de grandeurs physiques renvoie ainsi à celle des processus permettant de déterminer (voire d’attribuer) des valeurs à ces grandeurs.

  Afin d’expliquer la notion d’intrication qui est plutôt contre-intuitive, considérons l’expérience de pensée suivante : Supposons que des balles vertes et rouges (supposées n’avoir aucune interaction physique) soient envoyées deux par deux dans deux directions différentes. Si nous observons que les deux balles de chaque paire ont la même couleur (soit vert soit rouge), nous conclurons certainement que ces balles avaient déjà la même couleur au moment où elles ont été envoyées, dans leur passé commun. Cette explication suppose en fait ce qui peut paraître évident, à savoir que l’observation de la couleur d’une balle révèle la couleur qu’elle possédait avant l’observation, indépendamment de tout autre événement, comme le fait qu’une observation ait ou non été effectuée sur l’autre balle. Cependant, ceci n’est pas toujours vrai en physique quantique. En effet, selon la théorie quantique, si deux ou plusieurs objets sont préparés dans un état  d’« intrication », leurs propriétés peuvent être fortement corrélées alors que, contrairement au cas classique, ces corrélations ne peuvent être expliquées ni par l’existence de caractéristiques intrinsèques de ces objets qu’ils auraient possédées avant l’observation ni par une quelconque interaction physique directe.

    Ce phénomène typiquement quantique découle du fait que le vecteur d’état « intriqué » de ce système n’est pas factorisable, c’est à dire qu’il ne peut être écrit comme le produit de vecteurs d’états qu’il serait possible d’assigner à chacune de ses parties. Selon la théorie quantique, le vecteur d’état d’un système S composé des deux sous-systèmes S1 et S2  est un élément de l’espace de Hilbert H = H1 Ä H2, produit tensoriel de H1 et H2 qui sont, respectivement, les espaces des états possibles de S1 et de S2. Mais tous les vecteurs de H ne sont pas factorisables : si certains sont de la forme |y₁> |y₂>, où |y₁> et |y₂> sont, respectivement, des vecteurs de H1 et de H2, leur forme générale est une superposition linéaire de tels termes :

c₁  |y ₁ > |y ₂ > + c₂  |y’ ₁ > |y’ ₂ > + …..

    Ce qui peut donner lieu à des corrélations fortes entre les propriétés de S1 et celles de S2 (puisque, par exemple, si une mesure effectuée sur S1 le laisse dans l’état |y ₁ > alors S2 sera nécessairement dans l’état |y ₂ > correspondant) même si S1 et S2 sont spatialement séparés[1] au moment de la mesure et que les résultats observés ne peuvent être expliqués par l’existence d’une cause commune -comme pour les corrélations classiques mentionnées ci-dessus. L’intrication quantique conduit donc à une situation dans laquelle les propriétés locales qui peuvent être mesurées sur chacune des parties d’un système physique doivent nécessairement être prédites à partir de l’état du système global.

    La non-séparabilité d’objets préparés dans un état d’intrication a donné lieu à de multiples expériences de pensée très débattues depuis l’article d’Einstein, Podolski et Rosen (1935) -comme en témoigne le débat entre Bohr et Einstein dans les années 1930. Cependant, les expériences (réelles, cette fois-ci) qui ont été effectuées depuis ont confirmé l’existence de telles corrélations pour les propriétés d’objets préparés dans un état intriqué (Aspect 1982) (Rowe et al. 2001). Par exemple, dans l’une des expériences d’Aspect, des paires de photons corrélés sont émises à partir d’une source commune (ils résultent de la désintégration d’atomes de calcium) et envoyés selon deux directions opposées. Il a été clairement montré que les états de polarisation des deux particules d’une même paire sont corrélés selon les prédictions de la théorie quantique alors que tout échange possible d’information entre ces particules ou entre les différentes parties du dispositif expérimental a été éliminé, par exemple en choisissant la direction selon laquelle sera mesurée la polarisation après l’émission de la particule[2]. En outre, il a été établi que les particules ne possédaient pas les propriétés observées avant leur mesure. Ce point a été établi de façon rigoureuse par la violation de conditions statistiques, les inégalités de Bell, qui doivent être satisfaites pour toute série de mesures effectuées sur une population dont les individus sont supposés posséder intrinsèquement leurs propriétés[3] (Bell 1964). La violation des inégalités de Bell implique donc l’impossibilité d’attribuer à deux classes d’évènements se produisant dans deux régions spatialement séparées une cause commune (qui serait située dans l’intersection de leurs cônes de lumière passés, selon le langage de la relativité). Ces corrélations peuvent ainsi être qualifiées de « non-locales » ou « non-causales » (au sens de la causalité relativiste).

Ces deux notions ont été utilisées pour modéliser, voire expliquer, certains phénomènes qui ne peuvent l’être dans un cadre de pensée classique, comme c’est le cas pour le phénomène de perception bistable (Atmanspacher et al. 2009) -mentionné dans la référence (Uzan 2012)- ou  pour modéliser certaines opérations mentales, telles que la combinaison de concepts

ou le processus de la décision (Aerts et al. 2011 a et b). Aerts et ses collaborateurs expliquent que la modélisation des opérations mentales fait généralement appel à des structures de probabilités quantiques dans la mesure où les « objets » testés (concepts, pensées, …) peuvent se trouver dans des états de superposition –comme les états quantiques d’un système matériel. Par exemple, dans le cas du processus de la prise de décision (qui est similaire à celui du sondage d’opinion), cette dernière propriété traduit le fait que les décisions prises ne sont pas toujours déterminées avant le test (ou le sondage) mais peuvent dépendre de ce test qui joue le même rôle que le contexte expérimental dans le cas d’une mesure en physique quantique. Ces auteurs proposent par ailleurs un test expérimental fondé sur les inégalités de Bell afin de mettre en évidence l’existence d’une relation d’intrication entre les concepts d’une même phrase. Dans le prolongement de ces travaux, notre but est de mettre en évidence les caractéristiques quantiques des corrélations psychophysiques et de les modéliser.

II. Complémentarité et intrication dans le domaine psychosomatique. 

Comme nous l’avions noté (Uzan 2012), la question de la nature des corrélations psychophysiques est une question traditionnelle de la philosophie qui est débattue depuis très longtemps mais qui ne trouve encore aujourd’hui aucune réponse satisfaisante et  unanimement reconnue. Certains philosophes et neurophysiologistes, lorsqu’ils n’identifient pas purement et simplement les états mentaux avec leurs corrélats neurophysiologistes (Changeux 1983) ou avec les processus informationnels auxquels ils donnent lieu (Tononi 2007), font l’hypothèse que les états mentaux et, en particulier, la conscience seraient des propriétés « émergentes » du cerveau. Par exemple, dans son livre The Mystery of Consciousness, Searle défend l’idée d’un naturalisme biologique selon lequel les processus neurophysiologiques donneraient lieu ou « causeraient », à partir d’un certain niveau de complexité,  les états mentaux et, en particulier, la conscience comme un organe permet la réalisation d’une fonction biologique (Searle 1997, p.39):

« …le cerveau est un organe comme n’importe quel autre ; c’est une machine organique. La conscience est causée par des processus neuronaux de niveau inférieur dans le cerveau, et est elle-même une caractéristique du cerveau. Etant donné que c’est une caractéristique qui émerge à partir de certaines activités neuronales, nous pouvons penser qu’il s’agit d’une « propriété émergente » du cerveau. »

Cependant, cette dernière explication des corrélations psychophysiques en terme d’émergence se heurte à la difficile question du « fossé explicatif » qui existe entre l’expérience subjective, vécue à la première personne, et la description que donne la science des processus neurophysiologiques, à la troisième personne. En effet, comment les processus neuronaux, si complexes soient-ils,  qui sont soumis à des lois matérielles (biophysiques et biochimiques) objectives, identiques pour tout sujet, pourrait-ils « causer » ou  faire « émerger » une qualité sensible qui n’est expérimentée que par le sujet particulier qui l’éprouve ? Dans la mesure où la proposition émergentiste suppose le primat de la matière et de ses lois « objectives » comme seul mode d’explication, elle ne peut rendre compte du caractère subjectif individuel de l’expérience consciente qui se fonde « sur les croyances, les désirs et la rationalité du sujet qui réalise cette expérience, alors que le contenu neuronal « correspondant » à cette expérience, qui est de nature sub-personnelle, n’a aucune de ces caractéristiques intentionnelles ou holistiques » (Noë et Thompson 2004 p. 18). La proposition émergentiste ne permet donc, pas plus que celle du matérialisme-identité évoquée ci-dessus, de combler le fossé explicatif entre expérience subjective et processus neuronaux. Cette question qui s’inscrit dans le prolongement des interrogations traditionnelles portant sur la nature des corrélations psychophysiques a été largement commentée par le philosophe contemporain Chalmers (1996) et ne trouve pas de réponse actuellement.

Nous avons alors suggéré, après Bohm et Hiley (1993), Atmanspacher (2003) ou Primas (2003), de traiter de cette difficile question de l’articulation entre le corps et l’esprit dans un cadre quantique généralisé qui implémente les concepts fondamentaux de complémentarité et d’intrication sans pour autant faire une quelconque référence a priori au monde matériel. Comme nous l’avons mentionné dans la référence (Uzan 2012), dans un tel cadre théorique la notion de « système » désigne n’importe quelle partie de la réalité susceptible d’investigation et celle d’ « observable » n’importe quelle propriété susceptible d’être mesurée ou observée de façon reproductible ; alors que la constante de Planck qui marque la frontière entre les domaines classiques et quantiques ne joue plus aucun rôle, comme c’est le cas de l’équation de Schrödinger régissant l’évolution des états physiques d’un système. Dans cette théorie quantique généralisée où nous nous proposons de travailler, les concepts de complémentarité et d’intrication vont nous servir à bâtir une représentation non réductrice et non causale de l’unité psychophysique de l’individu qui prend pour fondement philosophique le monisme neutre proposé par Spinoza. Nous avons, en effet, montré que les idées de complémentarité et de parallélisme des attributs matériels et mentaux de la substance unique de cette philosophie trouvaient un prolongement, ou plutôt une interprétation précise dans le cadre de la théorie quantique généralisée : l’idée de  complémentarité des attributs mental et matériel de la substance unique peut ainsi se comprendre comme la complémentarité des descriptions de l’unité psychophysique de l’individu ; alors que celle de parallélisme d’aspects (et non de substances, comme chez Leibniz (1695)) que Spinoza suggère lorsqu’il affirme que « l’ordre et la connexion des idées sont les mêmes que l’ordre et la connexions des choses » (Ethique, seconde partie, proposition 7) semble clairement renvoyer à l’idée d’une connexion a-causale (une relation d’intrication) entre les aspects mentaux et somatiques de l’individu. Plus précisément, l’application que nous avons proposée des concepts typiquement quantiques de complémentarité et d’intrication à l’étude des corrélations psychophysiques est la suivante :

Nous avons tout d’abord expliqué le lien essentiel entre les propriétés de complémentarité et d’intrication en mentionnant le théorème de Landeau (1987) montrant de façon tout à fait générale (c’est à dire au-delà du strict domaine matériel) que l’existence de couples de propriétés complémentaires dans chacune des deux parties d’un système  n’interagissant pas entre elles est suffisant pour montrer l’existence de corrélations non locales entre ces deux sous-systèmes (Atmanspacher 2003) (Uzan 2012). Afin d’utiliser ce résultat pour traiter des corrélations psychophysiques, nous nous sommes alors tournés en particulier (mais pas exclusivement) vers les données de l’endocinologie. L’intérêt de s’intéresser au système endocrinien est double : 1) cette science nous fournit des exemples précis de processus complémentaires dont les effets sont, en outre, mesurables. En effet, elle décrit les actions antagonistes de couples d’hormones qui agissent néanmoins de façon conjointe pour assurer l’équilibre physiologique du corps en minimisant les fluctuations de variables physiologiques mesurables. C’est le cas, par exemple, du couple d’hormones insuline/ glucagon qui ont des effets opposés sur la concentration sanguine de sucre, puisque la première tend à élever cette concentration tandis que la dernière tend à la diminuer, alors qu’elles sont toutes les deux nécessaires pour maintenir cette concentration dans un intervalle  optimal. En outre, ce qui est essentiel pour notre propos est que 2) les hormones, qui sont secrétées par les glandes endocrines et véhiculées dans tout le corps par le réseau sanguin, permettent non seulement de réguler de façon spécifique le fonctionnement des organes et de nombreux processus essentiels (processus immunitaires, différenciation cellulaire, reproduction, homéostasie, etc…) mais aussi celui des états ou des processus mentaux. Leurs actions semblent donc constituer de précieux exemples sur lesquels s’appuyer afin de montrer le caractère quantique des corrélations psychophysiques, c’est à dire, en particulier, la nécessité de les interpréter en terme de relation d’intrication. Dans le cadre de cette représentation endocrinienne de l’unité psychosomatique, notre proposition prend ainsi la forme suivante : l’existence de corrélations non causales entre les domaines somatique et psychique résulterait de l’existence de processus complémentaires dans chacun de ces deux domaines.

En effet, dans l’exemple ci-dessus le couple d’hormones insuline/glucagon donne lieu à des processus complémentaires dans chacun des domaines somatique et mental : dans le domaine somatique, ces hormones permettent, respectivement, d’augmenter et de diminuer le taux de sucre dans le sang ; alors que dans le domaine mental elles régissent la capacité de concentration ou la tendance dépressive de l’individu. Si nous nous limitons à ce seul couple d’hormones[4], l’état psychophysique de l’individu s’écrira alors comme un état intriqué de l’espace de Hilbert des états psychophysiques engendré par les vecteurs propres |v₁>, |v’₁>,…  de l’observable mesurant les valeurs possibles de la concentration de sucre dans le sang et les vecteurs propres |v₂>, |v’₂>, …. de l’observable mesurant la capacité de concentration dans le domaine mental :

c₁  |v₁> |v₂> + c₂  |v’₁> |v’₂> + …..

     En se référant à la double fonctionnalité du système endocrinien , il est ainsi possible de proposer un modèle simple de l’unité psychosomatique qui implémente le caractère quantique des corrélations psychophysiques en représentant les états psychophysiques d’un individu par des vecteurs intriqués de l’espace de Hilbert représentatif de l’individu. Ces modèles ont tout d’abord un  pouvoir explicatif puisque les processus mentaux et somatiques sont conçus comme les aspects correspondants, c’est à dire soumis à des contraintes mutuelles, d’une même unité psychophysique, un même « système ». Ce qui rend inutile la recherche d’une mystérieuse interaction causale entre ces deux domaines, mais aussi celle d’expliquer l’« émergence » des processus mentaux à partir des processus neuronaux -ainsi que, réciproquement, la « conversion » de nos pensées (conscientes ou non) en actes. En outre, ces modèles peuvent être rendus prédictifs si l’on prend en compte l’évolution rythmique des états psychophysiques qui nous est donnée par la chronobiologie (pour les états somatiques) et la chronopsychologie (pour les états mentaux), ainsi que les interactions de l’individu avec son milieu, évolution qui peut être représentée mathématiquement à l’aide d’opérateurs agissant sur l’espace des états psychophysiques. Ces modèles pourraient ainsi être confrontés à l’expérience.

Aerts, D. et al. (2011 a). Quantum structure in cognition.: Fundamentals and Applications. ArXiv: 1104.3344v1 [cs.AI].

Aerts, D. and Sozzo, S. (2011 a). Quantum structure in cognition: Why and how concepts are entangled. Quantum Interaction. Lecture Notes in Computer Science, 7052, pp. 116-127.

Aspect A. and al. 1982. « Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities », Phys. Rev. Lett. 49: 91.

Atmanspacher H. (2003), « Mind and matter as asymptotically disjoint, inequivalent representations with broken time-reversal symmetry », BioSystems 68, p. 19-30.

Atmanspacher H, Filk T, Römer H 2009. « Complementarity in bistable perception, in Recasting reality: Wolfgang Pauli’s philosophical ideas and contemporary science. Atmanspacher H, Primas H eds . Berlin & New York: Springer. 135–150.

Bell J. (1964), « On the Einstein Podolsky Rosen Paradox », Physics 1 : 195–200.

Bohm D. and Hiley B. 1993. The Undivided Universe. London, New York: Routledge.

Chalmers D. J. (1996), The Conscious Mind. Oxford University Press.

Changeux J.-P. (1983), L’homme Neuronal. Paris, Fayard.

Cohen-Tannoudji C., Diu B. and Laloë B. 1997. Mécanique quantique, Paris : Hermann, collection Enseignement des Sciences.

Descartes D. (1641), Les Méditations métaphysiques, Objections et réponses, éd. par M. et J.M. Beyssade, Paris, Garnier-Flammarion (1979)

Einstein A., Podolski B. & Rosen N. (1935) « Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? » Phys. Rev. 47, p. 777-780.

Espagnat (d’) B. (1994), Le réel Voilé. Paris, Fayard. Landeau L. J. 1987. « Experimental tests of general quantum theories ». Lett. Mathematical Physics 14: 33-40.

Leibniz G. W. (1695), Système nouveau de la nature et de la communication des substances et autres textes 1690-1703, Paris, Garnier-Flammarion, 1994. Noë A. et

Thompson E. (2004). Are there Neural Correlates of Consciousness ? Journal of Consciousness Studies, 11, No. 1, p 3–28.

Primas H. 2003. « Time-entanglement between mind and matter ». Mind and Matter, 1 : 81-119.

Rowe M. A. & al. (2001), « Experimental violation of a Bell’s inequality with efficient detection », Nature 409, p. 791-794

Searle J.R. 1997. The Mystery of Consciousness. London : Granta Books publisher.

Tononi G. 2007. « The Information Integration Theory of Consciousness » in The Blackwell Companion To Consciousness. Edited by Max Velmans and Susan Schneider. Oxford : Blackwell Publishing.

Uzan P. (octobre 2012 ), Une approche quantique du problème corps-esprit (1) et (2). Implications Philosophiques.